一种碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高碳铬轴承钢(GCrl5)零件，具体为一种长寿命的碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承。
【背景技术】
[0002]使用于汽车手动变速箱、工业减速机、摩托车曲轴、汽车交流发电机等用途的滚动轴承，由于润滑油或润滑脂的污染比较严重，工作条件非常恶劣，经过常规热处理的滚动轴承会由于轴承零件发生表面起源型的疲劳剥落而发生早期失效。例如，在汽车手动变速箱中，齿轮的啮合产生很多金属碎肩和金属粉末，这些金属碎肩和金属粉末俗称磨粒，混在润滑油中，随润滑油进入轴承内部，在轴承运转过程中，卡入钢球和滚道的接触区，在钢球和滚道表面引起大量压痕。在压痕的边缘会产生应力集中，从而加速轴承零件发生疲劳剥落，缩短轴承的寿命。
[0003]如果对高碳铬轴承钢零件进行碳氮共渗处理，使零件的表层组织中存在一定的残余奥氏体含量，但同时在碳氮原子的固溶强化作用下，不降低零件表层的硬度和接触疲劳强度，这样就能够降低压痕的危害性，从而延长污染润滑工况下轴承的使用寿命。但目前关于高碳铬轴承碳氮共渗轴承零件的技术仍不成熟，质量不稳定。零件容易出现渗层较浅、组织粗大、变形较大等问题；尤其在高碳势状态，而且在碳氮共渗温度高、长时间保温的碳氮共渗条件下，零件表层容易堆积较大颗粒状的碳氮化物，而产生应力集中，因此并不能根本解决污染工况下滚动轴承寿命缩短的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术中存在的轴承零件使用寿命短的问题，提供一种使用寿命长的碳氮共渗轴承零件及制备方法和具有该零件的球轴承。
[0005]为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案:
一种碳氮共渗轴承零件；
所述轴承零件的有效硬化层深度为0.3?0.5mm ;
距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为:C 1.2%?1.6%、N彡0.1%、C+N1.5% ?2.0% ；
距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为60?67HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为58?63HRC ；
距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%?40%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为5%?12% ；
所述轴承零件渗层金相组织为:隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体及碳氮化合物，无黑色组织、脱碳等显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈细小颗粒状分布，无块状、角状或网状分布，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8 μπι。
[0006]所述有效硬化层深度采用以下方法测得: 先于500±10°C下对所述轴承零件回火处理I小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。
[0007]一种上述碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤:
①碳氮共渗:将高碳铬钢零件置于热处理炉中，加热至820?840°C后保温2?4 小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为:RX吸热式气体93.7%?
97.2%，富化气1.3%?1.8%，氨气1.5%?4.5%，富化气采用丙烷或丁烷；
②淬火:将碳氮共渗后的零件在820?840°C进行淬火，淬火介质为60?120°C的淬火油，冷却时间为2?10分钟；
③回火:先将淬火后的零件加热至200?220°C后保温I?4小时，然后空冷以得到轴承零件。
[0008]一种球轴承，包括外圈、内圈和钢球，所述外圈、内圈、钢球中至少有一种采用了上述轴承零件；
当外圈、内圈由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为60?65HRC ;
当钢球由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为62?67HRC。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
1、本发明所述的碳氮共渗轴承零件的有效硬化层深度、零件表面的碳氮浓度、硬度、残余奥氏体含量以及碳氮化物颗粒尺寸被控制在合适的范围内，使得轴承零件在保证心部性能的同时具有理想的强化表层，在零件的表层基体中确保了一定量的碳、氮固溶，使较多的残余奥氏体不至于影响轴承零件表面所要求的高硬度、高弹性极限和高接触疲劳强度等。另外，轴承零件内的碳氮化物颗粒尺寸控制在8 μ m以内，不会产生应力集中，且距轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%?40%，能有效减缓轴承零件压痕引起的表面起源型的疲劳剥落，从而提高了在污染润滑工况下使用的轴承寿命。因此，本发明轴承零件的使用寿命较长。
[0010]2、本发明所述的碳氮共渗轴承零件的制备方法通过控制RX吸热式气体、富化气、氨气的比例、共渗温度和时间以及淬火和回火工艺，一方面，不仅使得轴承零件表层能够得到合理的渗碳、渗氮量、渗层深度和细小的渗层组织，而且还可避免表层产生大颗粒及块状碳化物，在不影响零件心部性能的同时，其表层得到了有效强化，延长了轴承在污染润滑工况下的疲劳寿命，另一方面，该方法采用可控气氛热处理炉即可实现连续生产轴承零件，不需要二次淬火回火炉，生产效率高，有利于降低制造成本。因此，本发明方法不仅延长了轴承在污染润滑工况下的疲劳寿命，而且生产效率高。
【附图说明】
[0011]图1为本发明球轴承的结构示意图。
[0012]图2为在润滑油中掺入金属粉末条件下的疲劳寿命试验验证结果。
【具体实施方式】
[0013]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。
[0014]一种碳氮共渗轴承零件:
所述轴承零件的有效硬化层深度为0.3?0.5mm ; 距所述轴承零件表面0.15mm深处的C、N元素浓度为:C 1.2%?1.6%、N彡0.1%、C+N
1.5% ?2.0% ；
距所述轴承零件表面0.1mm深处的硬度为60?67HRC，距所述轴承零件表面2mm深处的硬度为58?63HRC ；
距所述轴承零件表面0.05mm深处的残余奥氏体含量为17%?40%，距所述轴承零件表面2mm深处的残余奥氏体含量为5%?12% ；
所述轴承零件渗层金相组织为:隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体及碳氮化合物，无黑色组织、脱碳等显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈细小颗粒状分布，无块状、角状或网状分布，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8 μπι。
[0015]所述有效硬化层深度采用以下方法测得:
先于500±10°C下对所述轴承零件回火处理I小时，然后检测轴承零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离。
[0016]一种上述碳氮共渗轴承零件的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤:
①碳氮共渗:将高碳铬钢零件置于热处理炉中，加热至820?840°C后保温2?4 小时以进行碳氮共渗，其中，热处理炉中的气氛及其体积比为:RX吸热式气体93.7%?
97.2%，富化气1.3%?1.8%，氨气1.5%?4.5%，富化气采用丙烷或丁烷；
②淬火:将碳氮共渗后的零件在820?840°C进行淬火，淬火介质为60?120°C 的淬火油，冷却时间为2?10分钟；
③回火:先将淬火后的零件加热至200?220°C后保温I?4小时，然后空冷以得到轴承零件。
[0017]一种球轴承，包括外圈1、内圈2和钢球3，所述外圈1、内圈2、钢球3中至少有一种采用了上述轴承零件；
当外圈1、内圈2由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为60?65HRC ; 当钢球3由所述轴承零件构成时，距其表面0.1mm深处的硬度为62?67HRC。
[0018]以下对本发明提供的碳氮共渗轴承零件的技术指标进行说明:
本发明通过对轴承零件有效硬化层深度、零件表面碳氮元素浓度、硬度、残余奥氏体含量以及零件内碳氮化物颗粒尺